CN111206989B - 一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，属于内燃机发电技术领域，包括自由活塞发动机和连接在所述自由活塞发动机上的直线发电机，自由活塞发动机包括燃烧室和一端与燃烧室活动连接的对置双活塞，对置双活塞的另一端活动连接至导波管，导波管与热声发动机的谐振管连通；燃烧室的排气孔连通至热声发动机的加热器内。通过低品位热源驱动的热声发动机作为热能梯级利用的第二级，通过与自由活塞发动机耦合，实现自由活塞发动机排气余热的回收利用。其中热声发动机可以是驻波热声发动机、行波热声发动机、行波驻波混合型热声发动机、多级行波热声发动机。

Description

一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统
技术领域
本发明涉及内燃机发电技术领域，具体地说，涉及一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统。
背景技术
自由活塞直线发电系统是一种耦合了自由活塞发动机和直线发电机的能量转化设备，相比于传统曲柄连杆活塞发动机-发电机组，具有优越的动力性能和经济性能。自由活塞线性发电系统的活塞不链接到曲轴或飞轮，而是在气缸中自由移动。自由活塞直线发电系统具有能量转换率高和燃料适应性好等特点，近年来成为多个领域的研究热点。
自由活塞直线发电系统属于一种内燃机。燃料在自由活塞直线发电系统的排气温度一般可以达到400～900℃。根据热力学原理，这些高温排气仍然蕴含着较大的做工潜力，有效回收排气预热有望进一步提高自由活塞直线发电系统效率。然而，据文献调研，目前仍没有针对自由活塞直线发电系统排气预热回收利用的一体化设计方案。
热声发动机是利用热声效应工作的一种新型热机，热声效应是热在可压缩介质(一般为气体)中与固体介质产生声与热的相互作用引发的声学自激振荡的物理现象，利用该原理可将热能转化为压力波动，从而实现热能到机械能的转换。热声发动机就是利用热声效应，实现热能到机械能转化，进而实现机械能输出的能量转换装置。
根据声场特性不同，热声发动机分为驻波型、行波型及驻波行波混合型等多种型式。行波声场中速度波和压力波动相位相同，而在驻波声场中二者相差90°。热声发动机作为一种新型的热力机械，不同于常规的机械式发动机，具有无运动部件、效率高、结构简单、成本低等特点，可以采用多种热源进行驱动，适合用于低品位热源的回收。
热声发动机可用于回收各类动力机械的余热，如内燃机尾气余热、燃气轮机余热等。然而，在这些基于热声发动机的余热回收系统中，热声发动机与相应动力机械都是完全独立运行的，两者间仅通过尾气进行连接以传递余热。这类系统往往体积较大，紧凑性较差。现有文献中未见有两者在结构上直接耦合的设计。
发明内容
本发明的目的为提供一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，可以将自由活塞发动机的排气作为低品位热源以驱动与之通过双活塞相耦合的热声发动机做功发电，实现燃料能源的梯级利用，进而提高系统效率。
为了实现上述目的，本发明提供的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括自由活塞发动机和连接在所述自由活塞发动机上的直线发电机，自由活塞发动机包括燃烧室和一端与燃烧室活动连接的对置双活塞，对置双活塞的另一端活动连接至导波管，导波管与热声发动机的谐振管连通；燃烧室的排气孔连通至热声发动机的加热器内。
上述技术方案中，通过低品位热源驱动的热声发动机作为热能梯级利用的第二级，通过与自由活塞发动机耦合，实现自由活塞发动机排气余热的回收利用。其中热声发动机可以是驻波热声发动机、行波热声发动机、行波驻波混合型热声发动机、多级行波热声发动机。
作为优选，燃烧室的两端均设有对置双活塞，两端的对置双活塞的另一端均通过导波管连接至同一谐振管。
通过一套对置双活塞将两台发动机相耦合，协同强化两者的机械振荡，进一步通过与之相连的直线发电机提高单位燃料的电能输出量，提升系统的能源转换效率。
作为优选，谐振管为直管状，热声发动机沿谐振管向导波管的方向依次设有加热器、热声板叠和冷却器。此时热声发动机为驻波热声发动机。
作为优选，谐振管为环状，热声发动机沿环状的谐振管依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器。此时热声发动机为行波热声发动机。
作为优选，谐振管为直管状，热声发动机设有与谐振管连通的环形反馈回路，环形反馈回路上依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器。此时热声发动机为行波驻波混合型热声发动机。
作为优选，燃烧室设有用于投放燃料和助燃剂的进气喷油阀以及用于引燃的火花塞。
作为优选，热声发动机包括多级行波环路，每一级包括谐振管和沿谐振管依次设置的主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；每一级的谐振管连接有一个自由活塞发动机。此时热声发动机为多级行波热声发动机。
作为优选，自由活塞发动机的燃烧室的一端连接有对置双活塞，另一端设置用于投放燃料和助燃剂的进气喷油阀以及用于引燃的火花塞。
为了方便机器连续运行，作为优选，对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
作为优选，排气孔内设有排气阀；直线发电机套接在对置双活塞的活塞杆上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，通过对置双活塞将自由活塞发动机和热声发动机耦合，利用自由活塞发动机的排气余热驱动热声发动机，以强化对置双活塞振荡从而提升直线发电机的电功输出和整机效率。相对于常规的自由活塞直线发电系统，可有效回收燃料燃烧后的排气余热，增加额外电功输出，实现热能的两级利用，提高系统能源转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的驻波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2的行波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统的结构示意图；
图3为本发明实施例3的行波驻波混合热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统的结构示意图；
图4为本发明实施例4的多级行波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1，本实施例的驻波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括：进气喷油阀1、火花塞2、燃烧室3、排气阀4、直线发电机5、回复弹簧6、对置双活塞7、导波管8、加热器9、热声板叠10、冷却器11、谐振管12。
燃料和助燃剂从进气喷油阀1进入自由活塞发动机的燃烧室3，经过火花塞2引燃做功推动两侧两个对置双活塞7运动，排气通过排气阀4排出。排气引入热声发动机的加热器9中，利用排气余热向加热器9提供热量。在加热器9和冷却器11的温度梯度下，热声板叠10中的气体工质沿热声板叠10纵向振荡，产生的振荡经谐振管12与导波管8传递至对置双活塞7处。通过合适的频率匹配，自由活塞发动机和热声发动机的频率相同，相位角相差180°，强化对置双活塞7振荡。对置双活塞7轴上套有直线发电机5，将发动机产生的机械功转化成电功输出。
实施例2
参见图2，本实施例的行波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括：进气喷油阀1、火花塞2、燃烧室3、排气阀4、直线发电机5、回复弹簧6、对置双活塞7、导波管8、谐振管12、主冷却器14、回热器16、加热器9、次冷却器15。其中，回热器16与热声板叠10的作用相同，整个系统的工作过程与实施例1的驻波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统相同。
燃料和助燃剂从进气喷油阀1进入自由活塞发动机的燃烧室3，经过火花塞2引燃做功推动两侧两个对置双活塞7运动，排气通过排气阀4排出。排气引入热声发动机的加热器9中，利用排气余热向加热器9提供热量。在加热器9和主冷却器14的温度梯度下，回热器16中的气体工质沿回热器16纵向振荡，产生的振荡经谐振管12与导波管8传递至对置双活塞7处。通过合适的频率匹配，自由活塞发动机和热声发动机的频率相同，相位角相差180°，强化对置双活塞7振荡。对置双活塞7轴上套有直线发电机5，将发动机产生的机械功转化成电功输出。
实施例3
参见图3，本实施例的行波驻波混合热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括：进气喷油阀1、火花塞2、燃烧室3、排气阀4、直线发电机5、回复弹簧6、对置双活塞7、导波管8、主冷却器14、回热器16、加热器9、次冷却器15、反馈回路13、谐振管12。其中，回热器16与热声板叠10的作用相同，整个系统的工作过程与实施例1的驻波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统相同。
燃料和助燃剂从进气喷油阀1进入自由活塞发动机的燃烧室3，经过火花塞2引燃做功推动两侧两个对置双活塞7运动，排气通过排气阀4排出。排气引入热声发动机的加热器9中，利用排气余热向加热器9提供热量。在加热器9和主冷却器14的温度梯度下，回热器16中的气体工质沿回热器16纵向振荡，产生的振荡经谐振管12与导波管8传递至对置双活塞7处。通过合适的频率匹配，自由活塞发动机和热声发动机的频率相同，相位角相差180°，强化对置双活塞7振荡。对置双活塞7轴上套有直线发电机5，将发动机产生的机械功转化成电功输出。
实施例4
参见图4，本实施例的多级行波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括：进气喷油阀1、火花塞2、燃烧室3、排气阀4、对置双活塞7、回复弹簧6、直线发电机5、谐振管12、主冷却器14、回热器16、加热器9、次冷却器15。图中所示为四级行波环路，发动机环路内布置了四个间距为1/4波长的行波回热器，每一级行波发动机与对应的自由活塞发动机工作过程与图1所示驻波热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统相同。
燃料和助燃剂从进气喷油阀1进入自由活塞发动机的燃烧室3，经过火花塞2引燃做功推动对置双活塞7运动，排气通过排气阀4排出。排气引入热声发动机的加热器9中，利用排气余热向加热器9提供热量。在加热器9和主冷却器14的温度梯度下，回热器16中的气体工质沿回热器16纵向振荡，产生的振荡经谐振管12传递至对置双活塞7处。通过合适的频率匹配，自由活塞发动机和热声发动机的频率相同，相位角相差180°，强化对置双活塞7振荡。对置双活塞7轴上套有直线发电机5，将发动机产生的机械功转化成电功输出。
上述各种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统中，实施例1、2、3所示自由活塞发动机为对置活塞式，也可以使用单活塞式发动机，相应减少一侧热声发动机。实施例4所示自由活塞发动机为单活塞式。

Claims (9)

1.一种热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，包括自由活塞发动机和连接在所述自由活塞发动机上的直线发电机，其特征在于，所述热声发动机包括多级行波环路，每一级包括谐振管和沿所述谐振管依次设置的主冷却器、回热器、加热器和次冷却器；每一级的谐振管连接有一个所述的自由活塞发动机；所述自由活塞发动机包括燃烧室和一端与所述燃烧室活动连接的对置双活塞，所述对置双活塞的另一端活动连接至导波管，所述导波管与热声发动机的谐振管连通；所述燃烧室的排气孔连通至所述热声发动机的加热器内；
所述对置双活塞的两个活塞分别连接在一根活塞杆的两端，所述直线发电机套接在所述对置双活塞的活塞杆上。
2.根据权利要求1所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的燃烧室的两端均设有所述的对置双活塞，两端的对置双活塞的另一端均通过所述的导波管连接至同一谐振管。
3.根据权利要求2所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的谐振管为直管状，所述的热声发动机沿谐振管向所述导波管的方向依次设有所述的加热器、热声板叠和冷却器。
4.根据权利要求2所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的谐振管为环状，所述的热声发动机沿环状的谐振管依次设有主冷却器、回热器、所述的加热器和次冷却器。
5.根据权利要求2所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的谐振管为直管状，所述的热声发动机设有与所述谐振管连通的环形反馈回路，所述环形反馈回路上依次设有主冷却器、回热器、加热器和次冷却器。
6.根据权利要求2所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的燃烧室设有用于投放燃料和助燃剂的进气喷油阀以及用于引燃的火花塞。
7.根据权利要求1所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的自由活塞发动机的燃烧室的一端连接有所述的对置双活塞，另一端设置用于投放燃料和助燃剂的进气喷油阀以及用于引燃的火花塞。
8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的对置双活塞的两端均设有用于活塞复位的复位弹簧。
9.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的热声发动机耦合的自由活塞直线发电系统，其特征在于，所述的排气孔内设有排气阀。
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